Bab 5: Laboratorium Optik

Setelah menyerahkan pembersih udara mini kepada pelanggan, Duan Zhu, Wu Tian, dan Sun Shiji terus memikirkan, mengapa cahaya bisa membelok.

Ada beberapa kemungkinan penyebab pembelokan cahaya:
Ketika melewati zat dengan indeks bias berbeda, cahaya mengalami pembiasan. Hal ini sering dijumpai dalam kehidupan sehari-hari.
Cahaya yang melewati serat optik, di mana indeks bias secara bertahap berubah dari pusat ke tepi, menyebabkan cahaya merambat secara berkelok atau terus-menerus melengkung.
Lalu, ada kemungkinan cahaya dipengaruhi fluktuasi ruang sehingga lintasannya membelok. Ketika cahaya melintas dekat medan gravitasi yang kuat, ia akan membelok, dan ini adalah salah satu prediksi penting teori relativitas umum.
Satu lagi, pada laser, terdapat pengendalian spin yang menghasilkan cahaya. Dalam laser, momentum sudut orbital terbentuk dengan memutar fase cahaya menjadi bentuk spiral, sehingga terbentuk berkas spiral. Semakin dekat ke pusat berkas cahaya, bentuk spiralnya semakin rapat hingga cahaya menghilang. Berkas cahaya semacam ini biasanya disebut berkas cincin atau berkas pusaran. Umumnya, laser tidak dapat membedakan apakah cahaya berputar searah jarum jam atau berlawanan, sehingga kombinasi yang terjadi tidak terkendali.

Mereka mencari informasi di internet.

Pada suatu hari tahun 1870, di aula ceramah Royal Society Inggris, fisikawan Tyndall berkata, "Beberapa bulan lalu, seorang teman mengatakan kepadaku bahwa anggur yang mengalir dari tong ternyata bisa bercahaya, sungguh luar biasa. Aku juga merasa aneh, pasti kalian juga meragukannya, jadi aku akan mendemonstrasikannya." Ia pun berjalan ke ember di meja, mencabut sumbat kayu dari lubang di sisi ember, lalu menyorotkan cahaya dari atas ke permukaan air. Penonton terkejut melihat keajaiban: air yang bercahaya mengalir keluar dari lubang kecil, alirannya melengkung, dan cahaya pun ikut melengkung, seolah-olah cahaya ditangkap oleh arus air yang berliku itu. Mengapa bisa begitu? Apakah cahaya tidak lagi bergerak lurus? Tyndall menjelaskan, "Sebenarnya ini adalah akibat pantulan total. Secara kasatmata, cahaya tampak berjalan melengkung, padahal ia mengalami banyak kali pantulan di permukaan dalam aliran air yang melengkung, sehingga jalur yang ditempuhnya adalah garis patah-patah yang berliku."

Pada 1704, Newton yang menganut teori partikel cahaya mengemukakan bahwa benda bermassa besar dapat membelokkan cahaya, sebagaimana membelokkan partikel bermassa lainnya. Seratus tahun kemudian, astronom Prancis Laplace secara independen mengemukakan pendapat serupa. Pada 1804, Söldner dari Observatorium Munich Jerman, berdasarkan mekanika Newton, menganggap partikel cahaya bermassa dan meramalkan bahwa cahaya yang melintas di tepi Matahari akan melenceng sebesar 0,875 detik busur. Namun, pada abad ke-18 dan ke-19, teori gelombang cahaya semakin diterima, sehingga prediksi Newton, Söldner, dan lainnya tidak terlalu diperhatikan.

Tahun 1911, Einstein yang saat itu menjadi profesor di Universitas Praha, mulai menghitung pembelokan cahaya oleh Matahari dalam kerangka relativitas umum. Ia memperkirakan pada saat gerhana, cahaya bintang di tepi Matahari akan membelok sebesar 0,87 detik busur. Pada 1912, setelah kembali ke Zurich, Einstein menemukan bahwa ruang itu melengkung, dan pada 1915 di Akademi Sains Prusia Berlin, ia memperbaiki ramalannya menjadi 1,74 detik busur.

Para astronom memahami bahwa dalam pengujian pengamatan rumit seperti pembelokan cahaya, ada banyak faktor yang dapat memengaruhi hasil akhir. Salah satu faktor terbesar adalah perubahan suhu, yang menyebabkan model turbulensi atmosfer berubah, sistem fokus teleskop berubah, dan ukuran film foto mengalami pemuaian dan penyusutan akibat suhu, sehingga kesalahan sistematik dalam pengukuran menjadi sangat besar.

Pada awal 1960-an, para astronom mulai meyakini bahwa Matahari memang membelokkan cahaya bintang, dan besaran yang diprediksi Einstein lebih sesuai dengan pengamatan dibandingkan prediksi mekanika Newton. Namun, prediksi relativitas umum masih tetap menyisakan selisih dengan hasil pengamatan.

Tetapi mereka berasal dari jurusan teknik mesin, bukan optik, jadi tidak tahu bagaimana menentukan penyebab maupun prinsip terjadinya fenomena itu.

Tak lama kemudian, mereka mendapati batu itu tampak kembali normal.

Wu Tian berkata, “Cahaya di atas batu ini sudah hilang lagi.”

Duan Zhu berkata, “Benar, sekarang tidak ada lagi fenomena kendaraan berhenti atau pembelokan cahaya.”

Sun Shiji berkata, “Kenapa kadang-kadang bekerja, kadang tidak. Mari kita ke kota, siapa tahu ada orang yang bisa mengenalinya.”

Wu Tian berkata, “Kita kan dari jurusan mesin, sulit bagi kita menjelaskan hal yang berkaitan dengan optik. Aku akan hubungi seorang teman di lembaga penelitian optik.”

Sesampainya di pinggir timur Kota Shengqi dan setelah mengatur penginapan, ia pun menghubungi Peneliti He di lembaga penelitian optik.

Peneliti He berkata, “Ini sungguh aneh. Mari kita uji pengaruhnya terhadap berbagai jenis cahaya.”

Cahaya tampak merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, ungu disorotkan ke layar. Batu diletakkan di sampingnya.
Cahaya inframerah disorotkan ke layar. Batu diletakkan di samping, sensor mendeteksi.
Cahaya ultraviolet disorotkan ke layar. Batu diletakkan di samping, sensor mendeteksi.

Ternyata banyak jenis cahaya mengalami pembelokan.

Peneliti He berkata, “Bagaimana mungkin terjadi hal seperti ini? Selama bertahun-tahun meneliti cahaya, aku belum pernah menemukannya.”

Ia mencoba dengan laser, hasilnya sama.

Saat itu, sebuah ide melintas dalam benak Duan Zhu.

Laser bisa digunakan untuk memproses komponen. Lalu, batu gravitasi itu memengaruhi arah laser. Ini pernah dicoba saat membuat rangka pembersih udara mini dengan pusat pemrosesan laser.

Berarti bisa digunakan untuk membuat mesin tertentu.

Pembuatan banyak komponen perlu menghindari benturan alat potong dengan benda kerja; saat memasukkan atau menarik alat, alat tidak boleh mengenai benda kerja, misalnya pada bagian yang menonjol.

Jika laser bisa dibelokkan, maka dalam kondisi tertentu, kecepatan pemrosesan dapat ditingkatkan dengan membiarkan laser langsung memotong bagian benda setelah menonjol itu.

Peneliti He berkata, "Bisakah benda ini dibawa ke pabrik pemrosesan mesin yang punya alat pemrosesan laser?"

Duan Zhu menjawab, “Kami dulu magang di pabrik pemrosesan mesin. Saat membuat pembersih udara mini, kami memakai benda ini. Saat itu, kami manfaatkan efek pembelokan cahaya untuk membuat beberapa lubang dan memasang sensor di dalamnya.”

Peneliti He sangat antusias mendengarnya, “Mari kita coba lagi.”

Peneliti He pergi ke pabrik itu, menyalakan mesin, meletakkan batu tersebut. Benar, laser berkekuatan tinggi pun dapat dibelokkan. Sebuah benda kerja diletakkan di posisinya.

Laser mengitari tonjolan, memotong bagian benda kerja di belakang tonjolan itu.

Duan Zhu berkata, “Seharusnya tidak hanya itu fungsinya. Bisa jadi ada metode pemrosesan lain yang memungkinkan.”

“Kita lanjutkan penelitian lintasan cahaya di laboratorium,” usul Peneliti He.

Mereka pun naik mobil Peneliti He menuju laboratorium optik. Dengan mikroskop berkekuatan tinggi, mereka mengamati banyak titik terputus pada lintasan cahaya.

Lintasan cahaya ternyata terputus di tengah. Seolah melempar bola, bola itu menghilang di udara, lalu muncul kembali di depan, dan terus melaju.

Cahaya bisa melengkung, juga bisa terputus. Sungguh benar-benar mengguncang pemahaman manusia.

Pembelokan seperti besi yang ditarik magnet. Lalu, bagaimana dengan putusnya lintasan? Hanya bisa dijelaskan dengan konsep lubang cacing.

Lubang cacing diajukan oleh Einstein, yaitu saluran sempit ruang-waktu yang menghubungkan wilayah-wilayah jauh di alam semesta. Materi gelap menjaga lubang cacing tetap terbuka.

Sifat materi gelap yang diketahui hanya beberapa: (1) Materi gelap berinteraksi secara gravitasi, sehingga bermassa, tetapi massa partikel materi gelap belum diketahui. (2) Materi gelap harus sangat stabil, karena bukti keberadaannya ada di berbagai tahap pembentukan struktur alam semesta, sehingga harus stabil selama usia alam semesta. (3) Materi gelap hampir tidak berinteraksi secara elektromagnetik, interaksinya dengan foton sangat lemah, sehingga materi gelap hampir tidak memancarkan cahaya; ia juga hampir tidak berinteraksi kuat, jika tidak, proses nukleosintesis awal akan terganggu dan hasilnya tidak sesuai pengamatan. (4) Dari simulasi komputer pembentukan struktur alam semesta diketahui, kecepatan materi gelap jauh di bawah kecepatan cahaya, yakni “materi gelap dingin”, jika tidak, struktur skala besar yang teramati tidak akan terbentuk di bawah pengaruh gravitasi.

“Salah satunya,” kata Peneliti He, “materi gelap hampir tidak berinteraksi secara elektromagnetik, jadi penyebab pembelokan cahaya ini seharusnya bukan materi gelap. Tapi tentu saja, ini masih dugaan, kita tidak tahu pasti apakah ini lubang cacing atau bukan.”

Duan Zhu berkata, “Awalnya kukira hanya fenomena alam biasa yang menipu mata. Mungkin jenis cahaya tertentu, seperti cahaya aurora. Tapi nyatanya, banyak jenis cahaya terpengaruh olehnya. Sepertinya bukan materi gelap penyebabnya.”

Lalu, untuk apa benda ini dibawa ke pusat pemrosesan mesin? Bagaimana cara mengolah komponen dengan itu?

Duan Zhu terus berpikir.

Menganalisis material dan karakteristik di sekitarnya, ada beberapa medan gravitasi. Bagaimana cara mengubah medan gravitasi?

Dengan cara sederhana, batu itu dibagi, ditempatkan di posisi tertentu. Tapi sayang jika batu dipecah, lebih baik tetap utuh.

Batu itu memancarkan sinyal dalam beberapa frekuensi. Bisakah sinyal digunakan untuk mengontrolnya?

Maka dipancarkanlah sinyal nirkabel, tampaknya batu itu bisa menerimanya, medan gravitasi pun berubah.

Kemudian, posisi dalam sinyal nirkabel diubah, sehingga lokasi medan gravitasi tertentu pun berubah. Laser pun membelok di posisi khusus.

Dengan itu, mereka membuat sebuah kotak dan komponen berbentuk batang. Kotak berada di luar, memiliki beberapa lubang, di dalamnya ada komponen batang. Melalui lubang, komponen di dalam tampak sudah selesai diproses. Namun, tidak bisa dikeluarkan.

Wu Tian berkata, “Bisa dipakai membuat patung singa batu, di mulutnya ada bola batu.”

Sun Shiji berkata, “Tapi patung singa batu bisa dibuat tanpa alat ini, cukup dengan pahat.”

Sebelum pemrosesan, dalam gambar tiga dimensi, beberapa bagian disusun dalam satu kubus. Lalu diproses dengan laser, setelah benda kerja ditempatkan, pemrosesan selesai.

Benda ini bisa digunakan untuk membuat mesin, dengan batu gravitasi diletakkan di samping, tapi mesin ini hanya bisa dibuat satu, tidak bisa diproduksi massal.